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[[Datei:MRNA-interaction.svg|mini|Vereinfachtes Schema der Proteinbiosynthese in einer [[Eucyte]]]]
Als '''Proteinbiosynthese''' wird die Neubildung von [[Protein]]en in [[Zelle (Biologie)|Zellen]] bezeichnet. Bei diesem für alle [[Lebewesen]] zentralen Prozess werden durch die [[Ribosom]]en Proteine aufgebaut, indem [[Aminosäuren]] zu einer Kette verknüpft werden. Die Reihenfolge der Aminosäuren wird dabei durch die [[Genetischer Code|genetische Information]] festgelegt.

Die [[Synthese (Chemie)|Synthese]] eines Proteins aus seinen Bausteinen, den [[Aminosäuren#Proteinogene Aminosäuren|proteinogenen]] Aminosäuren, findet im Rahmen der [[Genexpression]] an den [[Ribosom]]en statt. Die ribosomale Proteinsynthese wird auch als [[Translation (Biologie)|Translation]] bezeichnet, da hierbei die [[Nukleotidsequenz|Basenfolge]] einer [[messenger-RNA]] (mRNA) in die Abfolge von Aminosäuren eines [[Peptid]]s übersetzt wird. Dies geschieht, indem fortlaufend jedem [[Codon]] der mRNA das entsprechende [[Anticodon]] einer [[transfer-RNA]] (tRNA) zugeordnet wird und deren jeweils einzeln transportierte Aminosäure an die benachbarte gebunden wird ([[Peptidbindung]]), sodass eine Kette mit charakteristischer [[Aminosäuresequenz]] entsteht. Dieses [[Polypeptid]] kann sich im umgebenden [[Zytosol|Medium]] zu einem strukturierten Gebilde dreidimensionaler Form [[Proteinfaltung|auffalten]], dem ''[[Naszierender Stoff|nativen]] Protein''. Häufig wird es durch Abspaltungen, Umbauten und Anbauten danach noch verändert, [[posttranslationale Modifikation|posttranslational modifiziert]].

Während bei [[prokaryoten]] Zellen ([[Procyte]]n) die ringförmige DNA frei im [[Zytosol]] vorliegt und die ribosomale Proteinsynthese zumeist unmittelbar und prompt mit der gerade eben erstellten mRNA erfolgt, sind die Verhältnisse bei [[eukaryoten]] Zellen ([[Eucyte]]n) komplizierter. Für das auf mehrere [[Chromosom]]en verteilte [[Genom]] ist hier mit dem [[Zellkern]] (Nukleus) ein eigenes [[Zellkompartiment|Kompartiment]] geschaffen, in dessen [[Karyoplasma]] auch die [[Transkription (Biologie)|Transkription]] stattfindet. Die primär gezogene RNA-Kopie (hnRNA) wird zunächst stabilisiert, überarbeitet und auf den Kernexport vorbereitet, bevor sie als mRNA eine [[Kernpore]] passiert und ins [[Zytoplasma]] gelangt, das die Untereinheiten der Ribosomen enthält. Diese räumliche Aufteilung und der mehrschrittige Prozessweg erlauben somit zusätzliche Weisen, eine (hn)RNA [[Posttranskriptionale Modifizierung|posttranskriptional zu modifizieren]] und darüber die Genexpression zu regulieren beziehungsweise bestimmte RNA-Vorlagen von der Proteinbiosynthese auszuschließen ([[Gen-Silencing#Posttranskriptionelles Gen-Silencing|Gen-Stilllegung]]).

Einige Arten von [[Bakterien]], [[Archaeen]] und [[Pilze]]n können über ribosomale Proteinsynthese besondere Proteine aufbauen, die als [[Multienzymkomplex]]e eine [[Nichtribosomales Peptid|nichtribosomale Peptidsynthese]] ermöglichen (NRPS).<ref>Matthias Strieker, Alan Tanović, Mohamed A. Marahiel: ''Nonribosomal peptide synthetases: structures and dynamics.'' In: ''Current opinion in structural biology.'' Band 20, Nummer 2, April 2010, S. 234–240, {{DOI|10.1016/j.sbi.2010.01.009}}, PMID 20153164.</ref><ref>Gavin J. Williams: ''Engineering polyketide synthases and nonribosomal peptide synthetases.'' In: ''Current opinion in structural biology.'' Band 23, Nummer 4, August 2013, S. 603–612, {{DOI|10.1016/j.sbi.2013.06.012}}, PMID 23838175.</ref>

== Transkription ==
{{Hauptartikel|Transkription (Biologie)|titel1=Transkription}}
[[Datei:DNA transcription.svg|mini|Vereinfachtes Schema der Transkription (englisch)]]

Im ersten Schritt für eine Proteinbiosynthese in einer Zelle werden Abschnitte von [[Gen]]en auf der doppelsträngigen [[Desoxyribonucleinsäure|DNA]] aufgesucht, abgelesen und in einzelsträngige [[Ribonukleinsäure|RNA]]-Moleküle umgeschrieben. Bei diesem Vorgang werden der vorliegenden [[Basensequenz|Folge]] von [[Nukleinbasen]] der DNA ([[Adenin]], [[Guanin]], [[Cytosin]], [[Thymin]]) komplementär die Nukleinbasen von RNA-Bausteinen ([[Uracil]], Cytosin, Guanin, Adenin) zugeordnet. In dem dann zum Strang verknüpften RNA-Transkript kommt [[Ribose]] anstelle der [[Desoxyribose]] und Uracil anstatt Thymin vor. Die genetische Information ist in der Basenfolge enthalten, ein [[Codogen]] auf der DNA wird transkribiert zu einem [[Codon]] auf der Boten- oder Messenger-Ribonukleinsäure, kurz [[mRNA]] genannt.

Für die Transkription eines Gens ist neben mehreren anderen Faktoren eine [[RNA-Polymerase]] nötig als [[Enzym]], das den fortlaufenden Aufbau des RNA-Polymers abhängig von der DNA-Vorlage [[Katalysation|katalysiert]]. Die der Vorlage [[basenpaar]]end zugeordneten [[Ribonukleosidtriphosphate]] ([[Uridintriphosphat|UTP]], [[Cytidintriphosphat|CTP]], [[Guanosintriphosphat|GTP]] und [[Adenosintriphosphat|ATP]]) als Bausteine werden – jeweils unter Abspaltung zweier Phosphatgruppen der [[Triphosphat]]e – miteinander zum [[Polynukleotid]] einer RNA verknüpft. Dabei kann es unterschiedliche Typen der RNA-Polymerase geben für die Transkription von Genen, die mittels einer mRNA für Proteine codieren, und für die anderer Gene, beispielsweise für die Bildung einer [[rRNA]] oder einer [[tRNA]].

Bei [[Eukaryoten]] findet die Transkription im [[Zellkern]] statt; daher muss die mRNA aus dem Kern in das [[Cytosol]] exportiert werden, da dort die Translation durchgeführt wird. [[Prokaryoten]] hingegen haben kein Kernkompartiment, die Transkription findet hier neben der Translation im Zellplasma statt.

== Posttranskriptionale Modifikation ==
{{Hauptartikel|Posttranskriptionale Modifikation}}

;Spleißen
:Bei Eukaryoten müssen anschließend an die reine Transkription noch die in der dabei entstandenen [[prä-mRNA]] enthaltenen nicht-codierenden [[Intron]]s herausgeschnitten werden, sodass nur noch die benötigten [[Exon]]s übrig bleiben. Diesen Vorgang nennt man [[Spleißen (Biologie)|Spleißen]]. Zum Erkennen der Introns dienen Consensussequenzen. Beim Spleißen binden unterschiedliche snRNPs im Bereich der Introns und Exon-Intron-Übergänge. Diese führen unter Bildung des Spleißosoms zur Spaltung der Phosphodiesterbindungen und damit dem Herausschneiden der Introns. Gleichzeitig werden die Exons ligiert. Spleißen kommt auch bei rRNA und tRNA vor.

;Capping
:Währenddessen findet außerdem das sogenannte [[Capping]] statt, bei dem die Stabilität der RNA erhöht wird. Dabei wird eine sogenannte [[5'-Cap-Struktur]] angehängt, wobei das 5' Ende der sich in Synthese befindlichen [[prä-mRNA]] zu einer Struktur umgewandelt wird, die als „Cap“ bezeichnet wird und die mRNA vor der Verdauung durch 5'-Exonucleasen und Phosphatasen schützt.

;Polyadenylierung
:Bei der [[Polyadenylierung]] werden die [[Poly(A)-Schwanz|Poly(A)-Schwänze]] an das neu entstandene 3'-Ende der RNA (bis zu 250 [[Nukleotide]]n lang) angehängt. Dieser Poly(A)-Schwanz erleichtert den Export der mRNA in das [[Cytoplasma]] und schützt außerdem das 3'-Ende vor einem enzymatischen Abbau.

;RNA-Edition
:Bei der [[RNA-Edition]] werden einzelne oder mehrere [[Nukleinbasen]] des RNA-Moleküls nach der Transkription verändert (modifiziert), eingefügt (insertiert) oder ausgeschnitten (deletiert). Beispielsweise kann das Editing so auf der mRNA ein neues [[Stopcodon]] ergeben, das stromaufwärts des vormaligen liegt; die Translation bricht dann hier ab und es wird die kürzere Isoform eines Proteins gebildet. RNA-Editieren kommt nur bei einigen Organismen, Zellen oder Zell[[organell]]en vor und ist oft auf besondere Nukleotidsequenzen beschränkt.

{{Siehe auch|Prozessierung}}

== Translation ==
{{Hauptartikel|Translation (Biologie)|titel1=Translation}}
[[Datei:Ribosome mRNA translation de.svg|mini|Vereinfachtes Schema der Translation]]

Unter [[Translation (Biologie)|Translation]] versteht man die Übersetzung der [[Basensequenz]] der [[mRNA]] in die [[Aminosäuresequenz]] des Proteins, die an den [[Ribosomen]] geschieht.
In der mRNA bilden jeweils drei aufeinander folgende Basen, ein [[Basentriplett]], innerhalb des [[Offener Leserahmen|offenen Leserahmens]] ein [[Codon]], welches für eine Aminosäure codiert (siehe hierzu [[genetischer Code]]). Am Ribosom werden die Codons entsprechend ihrer Abfolge in Aminosäuren translatiert und diese sequentiell zu einem [[Polypeptid]] verknüpft.

Zur Ausbildung einer [[Peptidbindung]] zwischen zwei Aminosäuren müssen sie in räumliche Nähe zueinander gebracht werden. Dazu wird die Oberfläche einer großen supramolekularen Struktur benötigt. Diese Aufgabe erfüllen die Ribosomen, zusammengesetzt aus einer kleinen und einer großen Untereinheit, welche zwei nebeneinanderliegende Bindungsstellen formt: die A-Stelle und die P-Stelle.

Da es keine strukturelle Verwandtschaft zwischen einem Codon und der dazugehörigen Aminosäure gibt, wird ein Zwischenstück benötigt, das einerseits die Aminosäure bindet und andererseits das zugehörige Codon auf der mRNA erkennt. Diese vermittelnde Funktion übernehmen Transfer-[[Ribonukleinsäure]]-Moleküle, verschiedene [[tRNA]]s, als Aminosäuren-„Transporter“ mit Erkennungsregion. Sie besitzen zwei auseinanderliegende exponierte Bindungsstellen: die Aminosäurebindungsstelle und das [[Anticodon]]. Die Aminosäurebindungsstellen der tRNAs werden durch die [[Aminoacyl-tRNA-Synthetase]]n spezifisch mit der passenden Aminosäure beladen. Die tRNA erkennt mit dem Anticodon das komplementäre Codon auf der mRNA und bindet sich spezifisch daran.

Der Translationsprozess als solcher lässt sich in drei Phasen unterteilen: die Initialphase, Elongationsphase und schließlich die Termination:

;Initialphase
:Erreicht eine zuvor synthetisierte mRNA ein [[Ribosom]], so wandert die kleine Untereinheit des Ribosoms solange an der mRNA entlang, bis sie auf das [[Startcodon]] AUG stößt. Die dazu passende [[Methionin]]-tRNA mit dem [[Anticodon]] UAC heftet sich an das Codon ([[Initiationskomplex]]).

;Elongationsphase
:Unter Spaltung von [[Guanosintriphosphat|GTP]] lagert sich nun auch die große Untereinheit des Ribosoms an und die Elongation beginnt.
:Die Methionin-tRNA befindet sich bei der Initiationsphase auf der P-Bindungsstelle, sodass sich in der A-Bindungsstelle die nächste tRNA anlagern kann. Eine [[Peptidyltransferase]] verknüpft das Methionin der ersten tRNA mit der Aminosäure der nachfolgenden tRNA; diese Bildung eines [[Dipeptid]]s findet in der A-Bindungsstelle statt. Schließlich wandern die Ribosomeneinheiten um ein Basentriplett weiter.
:Die tRNA mit dem [[Dipeptid]] befindet sich nun auf der P-Bindungsstelle, von welcher es die allererste, nun unbeladene tRNA verdrängt hat, und an die freie A-Bindungsstelle kann sich wieder die nächste tRNA anlagern, deren Anticodon komplementär zum Basentriplett des mRNA-Stranges passt.

;Termination
:Trifft ein sich an der [[mRNA]] entlang bewegendes Ribosom auf eines der drei [[Stopcodon|Stoppcodons]], kommt es zunächst zum Stillstand der Translation, da keine passenden tRNA-Moleküle vorhanden sind, welche für eine Aminosäure codiert sind (Suppression).<ref name=":0">{{Literatur |Titel=Translation |Online=https://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/translation/11990 |Abruf=2018-06-15}}</ref> An ihre Stelle treten so genannte ''Terminations''- oder ''Release-Faktoren'' (RFs), die an die A-Stelle binden und die Substratspezifität der [[Peptidyltransferase|Peptidyl-Transferase]] dahingehend verändern, dass ein Wassermolekül anstelle einer AA-tRNA aktiviert wird.<ref name=":0" /> Durch dessen nucleophilen Angriff auf die Bindung zwischen Peptidkette und tRNA kommt es schließlich zur Freisetzung des synthetisierten Proteins und zur Trennung der mRNA vom Ribosom.<ref name=":0" />

== Co- und Posttranslationale Modifikation ==
{{Hauptartikel|Posttranslationale Modifikation}}
Die Polypeptidketten einiger Proteine werden schon während der Translation (cotranslational) durch spezielle Enzyme verändert, in den meisten Fällen aber werden Proteine erst nach Abschluss der Translation (posttranslational) modifiziert. Während [[Chaperon (Protein)|Chaperone]] den formgebenden Prozess der Proteinfaltung beeinflussen, von dem auch die Assoziation zu Proteinkomplexen abhängt, verfügt eine Zelle daneben über eine Vielzahl an Möglichkeiten, die Struktur eines Proteins spezifisch abzuwandeln, derart auch funktionell andere Proteinspezies zu schaffen und so durch Modifikationen das [[Proteom]] zu erweitern.

Zu diesen Modifikationen gehören die Abspaltung von einzelnen [[N-Terminus|endständigen]] Aminosäuren oder auch die längerer Peptidsequenzen bei [[Präkursor-Proteine]]n, die Einführung zusätzlicher Bindungen, z. B. [[Disulfidbrücke]]n zwischen [[Cystein]]resten, oder funktioneller Gruppen, wie [[Hydroxylierung]]en von Aminosäuren ([[Prolin]] zu 4-[[Hydroxyprolin]] durch die [[Prolyl-4-Hydroxylase]], [[Lysin]] zu [[Hydroxylysin]] durch die [[Lysylhydroxylase]]), sowie [[Oxidation]]en (z. B. kovalente Quervernetzungen mittels Lysinresten durch die [[Lysyloxidase]]), [[Carboxylierung]]en oder [[Decarboxylierung]]en und zahlreiche weitere. Beispielsweise entstehen durch [[Glykosylierung#Glykosylierung von Proteinen|Glykosylierungen]] [[Glykoproteine]], durch [[Acylierung]]en und [[Prenylierung]]en [[Lipoproteine]].

Die einzelnen Schritte von Modifizierungen werden jeweils durch besondere Enzyme katalysiert, deren Vorkommen oft auf bestimmte Organellen, Zellen oder Gewebe beschränkt ist. Außerdem kann die Abfolge modifizierender Schritte bzw. deren zeitlicher Verlauf variiert werden, abhängig von Zellmilieu, Entwicklungsphase oder Umgebungsbedingungen. Das [[Kollagen]]molekül etwa durchläuft eine Reihe posttranslationaler Modifikationen, von denen einige erst im Extrazellularraum stattfinden.

== Proteintargeting und Proteintransport ==
{{Hauptartikel|Posttranslationaler Proteintransport|Cotranslationaler Proteintransport}}

Da viele Proteine als Zielort ({{enS|target}}) nicht das Zytosol, sondern den [[Extrazellularraum]], die [[Zellmembran]], die [[Organelle]]n wie [[Chloroplast]]en, [[Mitochondrium|Mitochondrien]], [[Peroxisom]]en, [[Zellkern]] oder [[Endoplasmatisches Retikulum]] haben, hat die Zelle verschiedene Mechanismen, die Proteine dorthin zu verbringen. Diese Proteine enthalten meist eine N- oder auch [[C-Terminus|''C''-terminale]] [[Signalsequenz]], die je nach Targetmechanismus sehr unterschiedlich aufgebaut sein kann. In einigen Fällen gibt es keine terminale Signalsequenz, sondern interne Signale der Peptidkette, die über den Zielort des Proteins bestimmt.

* Proteine, deren Ziel das [[Endoplasmatisches Retikulum|Endoplasmatische Retikulum]] (ER) ist, tragen eine spezifische ''N''-terminale Sequenz, die von einem Protein-RNA-Komplex, dem ''[[Signal Recognition Particle]]'' (SRP), erkannt wird. Der SRP-Peptid-Ribosom-Komplex wird dann zum Endoplasmatischen Retikulum rekrutiert, wo er erkannt und gebunden wird. Die Translation wird durch die Membran fortgesetzt. Durch die anheftenden Ribosomen entsteht der Eindruck eines „rauen ERs“. ''Siehe [[Cotranslationaler Proteintransport]]''. Im Endoplasmatischen Retikulum findet die [[Proteinqualitätskontrolle|Qualitätskontrolle]] des neu synthetisierten Proteins statt.
* Proteine, die in die [[Chloroplasten]] verbracht werden müssen, besitzen eine [[N-Terminus|''N''-terminale]] Signalsequenz, die gewöhnlich früh [[Phosphorylierung|phosphoryliert]] wird. Die Proteine [[Hsp70]], [[14-3-3-Protein|14-3-3]] und [[Toc64]] können weiterhin durch Interaktion mit dem Protein-Vorläufer eine Rolle bei der Erkennung und Weiterleitung spielen. Der Protein-Precursor-Komplex wird nach der Ankunft auf der Oberfläche des Chloroplasten von Rezeptorstrukturen des Translokonapparates der äußeren Chloroplastenmebran ([[Translocon Of Outer Chloroplast Membrane]], TOC) erkannt. Unter [[Guanosintriphosphat|GTP]]-[[Hydrolyse]] wird das Protein dann in den Intermembranraum importiert oder direkt durch den Translokonapparat ([[Translocon Of Inner Chlorplast Membrane|TIC]]) der inneren Chloroplastenmembran in das [[Chloroplast#Aufbau von Chloroplasten|Stroma]] importiert. Für den Import in die Membran oder das Lumen der [[Thylakoid]]e werden mindestens 4 Wege genutzt, die als ''Sec-abhängig'', ''SRP-abhängig'', ''delta-pH/Tat-abhängig'' oder ''spontan'' bezeichnet werden.
* Für das [[Mitochondrium]] wurden für Hefe- und Tierzellen bislang drei verschiedene Import-Wege beschrieben:
# Der Präsequenz-Importweg, dessen Proteine eine ''N''-terminale amphiphile alpha-Helix tragen. Diese Proteine sind meist für die Matrix, die innere Membran oder den Intermembranraum bestimmt.
# Der Carrier-Protein-Importweg für Proteine der inneren Membran, welche verschiedene interne Signale tragen.
# Der Importweg der Proteine der äußeren Hüllmembran, der zur Integration von Proteinen mit [[beta-Fass]]-Motiv genutzt wird. Auch hier liegen sequenzinterne Signale vor.

: Alle drei Importwege beginnen am mitochondrialen Translokonapparat in der äußeren Membran ([[Translocon Of Outer Mitochondrion Membrane|TOM]]), welcher verschiedene Rezeptoren besitzt. So erkennen die Rezeptoren [[Tom20]] und [[Tom22]] das ''N''-terminale Signal und leiten das Vorläufer-Protein an die Pore [[Tom40]] weiter. Der Rezeptor [[Tom70]] erkennt die internen Signale der Proteine, die für die äußere Membran bestimmt sind.
: Nach dem Import in den Intermembranraum trennen sich die Wege: Die Proteine mit beta-Fass-Motiv, welche für die äußere Membran bestimmt sind, werden durch den [[SAM-Komplex]] (Sorting and assembly machinery) in die Membran integriert. Die Proteine der anderen beiden Importwege werden zu verschiedenen [[Translocon of Inner Mitochondrion Membrane|TIM]]-Komplexen dirigiert: Proteine mit Präsequenz werden von dem TIM23-Komplex erkannt, Proteine für die innere Membran dagegen vom [[TIM22-Komplex]].
: Die Präsequenz wird durch das Enzym [[mitochondrial processing peptidase|MPP]] ({{enS|mitochondrial processing peptidase}}) entfernt.

Neben den oben beschriebenen Signalsequenzen ermöglicht eine [[Glykosylierung]] ein Targeting für den Einbau in die Zellmembran bzw. für die [[Exozytose]]. Beide Wege führen meist über [[Golgi-Apparat|Golgi-Vesikel]].

== Siehe auch ==
* [[Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese]]
* [[Analbuminämie]]
* [[Agammaglobulinämie]]

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Commonscat|Protein biosynthesis|Proteinbiosynthese}}
* [http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/13/bs13-4.htm Zeigt die Synthese und Prozessierung der mRNA]
* [http://www.webmic.de/images/protbio1.jpg Vereinfachtes Schema der Proteinbiosynthese]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4175987-4}}

[[Kategorie:Genetik]]
[[Kategorie:Biologischer Prozess]]
[[Kategorie:Biochemie]]

Proteinbiosynthese - Versionsgeschichte

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